工程化学（课件）第4章

由海南大学机电工程学院自动化2021-4某吴姓同学制作 仅供参考

工程化学（课件）

• 第4章 物质结构基础
  • 4.1 原子结构和元素周期律
    • 4.1.2 核外电子运动状态
      • 氢原子光谱特征
        • 不连续光谱，线状光谱
        • 其频率具有一定的规律
      • （1）能量量子化
        • 指电子只能在一定的能量状态(能级)上运动，不同能级之间的能量变化是不连续的
      • （2）电子的波粒二象性
        • 电子衍射实验
        • 微观粒子的波动性是大量微粒运动表现出来的性质，是具有统计意义的概率波
      • 4.1.2.2 核外电子运动状态的描述
        • • 叫做原子轨道
          • 服从薛定谔方程
          • 可以描述电子的运动状态
        • 两个方面
          • 1.用四个量子数加以描述
          • 2.用图示的方法描述
      • 4.2.1 四个量子数
        • 量子数
          • 在解薛定谔方程时，引入了三个参数n，l，m
          • 1.主量子数 n
            • 意义：表示核外电子离核的远近，或者电子所在的电子层数
              • 决定电子云的大小
            • n=1表示第一层(K层)，离核最近，n越大离核越远
          • 2.角量子数 l
            • l 受 n 的限制
            • 意义：角量子数l决定原子轨道的形状
              • 决定电子云的形状
            • l=0，s轨道，球形
            • l=1，p轨道，哑铃形
            • l=2，d轨道，花瓣形
            • l=3，f轨道，形状更复杂
          • 多电子原子中电子的能量由n和l共同决定
            • n相同，l不同的原子轨道，角量子数l越大的，其能量越大
          • 3.磁量子数 m
            • 磁量子数m取值受角量子数l的影响
            • • 一共 2l+1 个值
            • 意义：m决定原子轨道的空间取向
              • 决定电子云的伸展方向
            • m的不同取值，一般不影响能量
            • 3种不同取向的2p轨道能量相同
              • 这3个原子轨道是能量简并轨道
              • 2p轨道是3重兼并的
          • 利用 3个量子数 即可将 一个原子轨道 描述出来
            • 1.轨道在原子核外的层数，即轨道中的电子距离核的远近
            • 2.轨道的几何形状
            • 3.轨道在空间分布的方向
          • 例题
          • 4.自旋量子数
            • 描述电子运动状态的量子数
            • 电子的自旋方式只有两种，
          • 要利用 4个量子数 描述 一个电子的运动状态
          • 例题
      • 波函数、原子轨道、电子云
        • 电子云是电子出现概率密度的形象化描述
        • 原子轨道和电子云的角度分布图
        • 例题
    • 4.1.3 多电子原子核外电子的排布
      • 1.基态原子的核外电子排布原则
        • 最低能量原理
          • 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上，使整个原子系统能量最低
        • Pauli不相容原理
          • 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方向相反的电子
        • Hund规则
          • 在n和l相同的轨道上分布的电子，将尽可能分占m值不同的轨道，且自旋平行
        • 半满全满规则
      • 原子实
        • 用元素前一周期的稀有气体的元素符号表示内层电子
      • 2.基态原子的核外电子排布
        • 顺序
        • eg
        • 价电子
        • 外层电子分布式=价电子分布式=价层电子构型
      • 例题
    • 4.1.4 元素周期律
      • 1.元素的分区
        • 元素周期表中价电子排布类似的元素集中在一起，分为5个区， 并以最后填入的电子的能级代号作为区号
      • 2.元素的周期
        • 元素周期表中的七个周期分别对应7个能级组
      • 3.元素的族
        • 主族：第1，2，13，14，15，16，17列
        • 主族：族序数=价电子总数
        • 零族
        • 副族：第3~7，11，12列
        • 前5个副族的价电子数=族序数
      • 例题
      • 元素性质的周期性
        • （1）原子半径
          • 主族元素：从左到右r减小；从上到下r增大
          • 过渡元素：从左到右r缓慢减小；从上到下r略有增大
          • 主族元素半径变化
          • 元素的原子半径变化趋势
        • （2）电负性
          • 定义：原子在分子中吸引电子的能力
          • 符号：x
          • 电负性大小规律
            • 同一周期：从左到右，x增大
            • 同一主族：从上到下，x变小
        • （3）最高氧化值
          • 从左到右，最高氧化值依次升高，等于元素的族数
        • 例题
  • 4.2 化学键与分子结构
    • 化学键
      • 分子或晶体中相邻原子(或离子)之间强烈的吸引作用
      • 种类
        • 共价键
        • 离子键
        • 金属键
    • 4.2.1 离子键的形成
      • 第一步：电子转移形成离子
      • 第二步：靠静电吸引，形成化学键
      • 离子键的定义：正负离子间的静电吸引力
    • （2）离子键的特征
      • 离子键无方向性和饱和性
      • 无方向性
        • 静电引力的实质，决定了一个离子与任何方向的电性不同的离子相吸引而成键
      • 无饱和性
        • 只要是正负离子之间，则彼此吸引
      • 形成离子键的两个原子，它们的元素电负性差比较大
    • 4.2.2 共价键
      • 本质：原子轨道重叠，核间电子概率密度大吸引原子核而成键
      • 共价键理论
        • Lewis理论
          • 电子配对理论——共用电子对成键
          • 八隅体规则
          • Lewis结构式
          • 违反八隅体结构
    • 4.2.2.2 价键理论基本要点与共价键的特点
      • 价键理论基本要点
        • 未成对价电子自旋方向相反
        • 原子轨道最大程度地重叠
      • 共价键的特点
        • 饱和性
        • 方向性
          • 各原子轨道在空间的分布方向固定，为使成键轨道在对称性一致的基础上最大程度地重叠
        • 共价键的数目
          • 由原子中单电子数目决定，单电子数目包括原有的和激发而形成的
          • 决定共价化合物中元素的化合价
            • 化合价的正与负取决于元素的电负性大小
    • 4.2.2.4 共价键的键型
      • • 原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠（头碰头）
      • • 两原子轨道垂直核间联线并相互平行进行同号重叠（肩并肩）
      • 例题
      • 在形成共价键时，单电子也可以由对电子分开而得到
    • 4.2.3 分子的几何构型
      • 4.3.3.2 杂化轨道理论
        • 基本要点
          • 1.成键时能级相近的价电子轨道混合杂化，形成新的价电子轨道——杂化轨道
          • 2.杂化前后轨道数目不变
          • 3.杂化后轨道伸展方向，形状发生改变
        • eg
      • 5.2.2 杂化轨道的性质
        • 杂化过程中形成的杂化轨道的数目，等于参加杂化的轨道数目
      • sp杂化
      • sp2杂化
      • sp3杂化
      • 不等性杂化
        • 参与杂化的原子轨道s,p和d等成分不相等，所形成的杂化轨道是一组能量彼此不相等的轨道
        • sp3不等性杂化
    • 小结
    • 例题
  • 4.3 分子间力和氢键
    • 分子间作用力
      • 分子晶体：分子之间以分子间作用力结合成的晶体
      • 本质：静电吸引
      • 分子的偶极矩（极性键）
        • 极性分子
          • 分子的正电重心和负电重心不重合
          • 极性大小可用偶极矩 μ 来度量
      • 分子间具有吸引作用的根本原因
        • 任何分子都有正、负中心
        • 任何分子都有变形的性能
      • 4.3.2.1 取向力（取向作用）
        • 定义：极性分子间的作用力
        • 两个极性分子相互靠近时，由于同极相斥、异极相吸，分子发生转动，并按异极相邻状态取向，分子进一步相互靠近
      • 4.3.2.2 诱导力（诱导作用）
        • 定义：发生在极性分子与非极性分子之间以及极性分子与极性分子之间的作用力
      • 4.3.2.3 色散力（色散作用）
        • 定义：瞬时偶极而产生的分子间相互作用
      • 分子间力是三种吸引力的总称，大小一般为几kJ·mol-1，比化学键小1-2个数量级
      • 分子间力的特点
        • 1.不同情况下，分子间力的组成不同
          • 非极性分子之间只有色散力
          • 极性分子之间有三种力，并以色散力为主，仅仅极性很大的H2O分子例外
        • 2.分子间力作用的范围很小
        • 3.分子间作用力较弱，既无方向性又无饱和性
      • 分子间力的意义
        • 决定物质的熔、沸点、汽化热、熔化热、蒸气压、溶解度及表面张力等物理性质的重要因素
      • 例题
    • 4.3.3 氢键
      • 氢键形成的条件
        • 与电负性大且半径小的元素如F,O,N的原子相连的H原子
        • 在这样的H原子附近有电负性大，且半径小的元素如F,O,N的原子
      • 氢键的特点
        • 1.键长特殊
        • 2.键能小
        • 3.具有饱和性和方向性
      • 分子间氢键
        • 熔、沸点升高，在水中溶解度增大
      • 例题
  • 4.4 晶体结构
    • 晶体的基本类型
      • 金属晶体
        • 金属键
        • 电子海模型
        • 金属的导电性、导热性、延展性都可以由电子海模型解释
      • 离子晶体
      • 原子晶体
      • 分子晶体